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58.基于低轨互联网星座的全球导航增强机遇与挑战

txz 星座时尚 2022-04-15 16:04:40 142 0

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记录学习过程是初衷/定期分享行业相关资讯? 每一篇推文都值得你点开! ??本文引用格式 蒙艳松,严涛,边朗,等.基于低轨互联网星座的全球导航增强——机遇与挑战[J].导航定位与授时,2022,9(1):12-24. 基于低轨互联网星座的全球导航增强——机遇与挑战蒙艳松,严涛,边朗,王瑛,田野 (中国空间技术研究院西安分院,西安710000)摘要:针对当前卫星导航发展的瓶颈问题,结合当前低轨互联网星座蓬勃发展的趋势,提出了基于低轨互联网星座的全球导航增强系统建设方案。从新兴用户群体对PNT性能的需求、低轨互联网星座的优势、建设成本优势以及通导融合优势等角度出发,分析了低轨全球导航增强的发展机遇。从频率资源、功率资源以及收敛时间三方面,总结了发展低轨全球导航增强系统面临的挑战。在此基础上,为系统体制、信号体制以及系统建设提出了发展建议。最后给出了总结:认为低轨全球导航增强采用天基监测+信号增强体制,信号落地功率有望提升15~30dB,收敛时间缩短至秒级,信号频段向Ka频段扩展,最终实现城市挑战性环境下快收敛、高精度、高完好、高安全、高可用的PNT目标。关键词:低轨互联网星座;全球导航增强;秒级收敛;天基监测;信号增强0引言全球卫星导航系统(GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS)作为国家重要的时空基础设施,能够为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时(Positioning,Navigation,andTiming,PNT)服务,对国家安全和经济社会发展至关重要。 过去30年,GNSS基础服务得到长远发展,在国际上已形成四大GNSS——美国全球定位系统(GlobalPositioningSystem,GPS)、俄罗斯格洛纳斯系统(GlobalNavigationSatelliteSystem,GLONASS)、欧洲伽利略系统(Galileo)、中国北斗卫星导航系统(BeiDouNavigationSatelliteSystem,BDS)和两大区域卫星导航系统——日本的准天顶卫星系统(Quasi-ZenithSatelliteSystem,QZSS)、印度星座导航系统(NavigationwithIndianConstellation,NavIC)的格局。GNSS基础服务可实现全球定位精度优于10m、授时精度优于20ns的性能[1-2],可满足普通大众用户对PNT的基本需求。 为适应不同行业、不同领域用户对精度、完好性、实时性(收敛时间)等性能的更高需求,伴随GNSS基础服务的发展,卫星导航增强系统同步建设。以美国广域增强系统(WideAreaAugmentSystem,WAAS)为代表的星基增强系统(SatelliteBasedAugmentationSystem,SBAS),瞄准完好性提升与码基定位精度提升,定位精度可达2~3m;BDS和Galileo系统新近发展的精密单点定位(PrecisePointPositioning,PPP)服务,瞄准基于载波相位的高精度服务,实现了分米级乃至厘米级的定位精度,收敛时间5~30min[2-3];地基增强系统实时动态定位(RealTimeKinematics,RTK)服务,以及QZSS提供的厘米级增强服务(CentimeterLevelAugmentationService,CLAS),支持PPP-RTK,实现了区域厘米级定位,收敛时间优于1min[4]。 上述增强系统主要采用地基监测+信息增强体制,生成并播发完好性信息和精密改正数信息,实现了完好性、精度、实时性等方面的性能提升。但SBAS是全球有缝覆盖,PPP服务存在收敛时间慢的缺点,且PPP-RTK服务覆盖区域有限,需要密集布站。 随着以自动驾驶为代表的新兴大众用户群体的兴起,对PNT服务的实时高精度、高完好、高可用、高安全性能有了更高、更迫切的期待,传统的地基监测+信息增强体制的局限性,难以满足新兴需求。 在此背景下,低轨通信星座迅速发展,国内外有关机构纷纷提出了自己的低轨星座计划。低轨通信星座包括低轨窄带通信卫星星座和低轨宽带互联网卫星星座,低轨窄带通信星座以铱星为代表,低轨宽带互联网星座则以Starlink和OneWeb等巨型星座为典型。低轨卫星星座的快速发展,为克服PNT性能的瓶颈,满足新兴大众的需求提供了新的方向,使得基于低轨卫星星座的导航增强——低轨导航增强成为卫星导航领域的热点。 目前,发展低轨导航增强逐渐成为共识。从低轨导航增强系统的发展来看,2002年美国就提出了将GPS与铱星系统相结合的增强导航系统,即高完好GPS(HighIntegrityGPS,iGPS)项目[5],利用下一代铱星(IridiumNext)通信播发类GPS信号和GPS辅助增强信息,以提升GPS接收机在复杂环境下的性能等。最终,iGPS未在IridiumNext部署,取而代之的是卫星授时与定位(SatelliteTimeandLocation,STL)服务,该服务由Satelles公司负责,为静态用户提供定位精度20m、授时精度约50~500ns的定位授时服务。STL信号落地功率比GPSL1C/A码信号强24.8~33.8dB,室内可用性提升了30~40dB,增强了复杂地形环境和复杂电磁环境下的可用性和安全性[6]。与此同时,美国国防部高级研究计划局(DefenseAdvancedResearchProjectsAgency,DARPA)战术技术办公室于2018年启动了“黑杰克”项目,旨在探索利用新兴商业低轨宽带星座发展经验和成果,开发用于GPS增强的LEOPNT载荷[7-8]。 欧洲第三代卫星导航系统Kepler以及欧洲导航创新支持计划(NavigationInnovationandSupportProgramme,NAVISP)都将低轨卫星作为星座一部分。Kepler系统是德国宇航中心和德国地学中心联合研究的未来欧洲GNSS基础设施[9],星座由中轨(MediumEarthOrbit,MEO)和低轨(LowEarthOrbit,LEO)卫星组成,LEO星座包括6颗LEO卫星,轨道高度1209km,目标是实现厘米级轨道精度、全球实时PPP,且不需要额外的增强系统对其性能进行增强,全球完好性达到TTA[10-11]。NAVISP是欧空局的导航计划,是欧洲GNSS的重要组成部分[12],目前正处于设计阶段,将城市与室内定位,抗干扰,低功率定位、授时和身份验证等服务作为关注的重点。考虑在VHF频段播发信号,采用2.5m长的VHF螺旋天线[13-14]。 中国也在进行国家综合PNT体系建设,包括重点推进下一代北斗卫星导航系统、积极发展低轨导航增强系统,其中低轨导航增强系统是国家综合PNT体系的重要组成部分[15]。国内多家研究机构和单位提出了以鸿雁、虹云为代表的低轨卫星星座,纷纷发射试验卫星,并将导航增强作为重要验证内容之一。2016年,中国航天科技集团宣布建立国内首个低轨卫星通信系统——鸿雁系统,是由60颗低轨卫星组成的星座。2018年底,鸿雁首颗试验星发射成功,进行了导航增强相关的试验[16-17],播发的通导一体化信号载波相位精度优于6mm,导航信息增强实现了90%测站一次过境定位精度优于0.2m,地面评估收敛后优于5cm。武汉大学研制的珞珈一号科学实验卫星兼具夜光遥感和导航增强的功能,于2018年6月2日成功发射,并开展了基于低轨卫星平台的导航信号增强实验,在轨自主生成双频测距信号向地面播发[18],双频信号的伪距和载波相位原始观测量在高仰角时的观测精度分别为1.5m和1.7m。中国航天科工集团规划提出的虹云工程,计划发射156颗卫星,组成一个星载宽带全球移动互联网络,设计运行在1000km的地球轨道上,为全球用户提供通信、导航增强和遥感信息一体化综合服务。2018年12月22日,虹云工程首星“武汉号”在酒泉卫星发射中心由长征十一号火箭成功发射[19]。中国电子科技集团启动并发射了“天象一号”A/B双星,用于移动通信和导航增强等关键技术的验证[20-21]。与此同时,北京未来导航科技有限公司计划2023年建设一个低轨导航增强系统,包含110~130颗低轨卫星,目标是实现收敛时间小于1min的厘米级定位精度,并于2018年发射了一颗试验卫星[22]。 可以看到,上述低轨导航增强系统的星座规模相对小,卫星数目低于300颗,以低轨窄带移动通信星座为主。随着OneWeb、Starlink等低轨互联网星座计划的提出,低轨星座向包含成百上千颗卫星的低轨巨型星座发展,研究基于低轨互联网星座的低轨导航增强成为新的发展趋势。 2016年起,斯坦福大学就宽带商业低轨卫星星座如何增强GPS或者作为GPS备份进行了分析和讨论,得出基于OneWeb星座空间信号用户测距误差约为3.0m的结论[23-25]。2018年,斯坦福大学再次发表研究成果,面向已有OneWeb、SpaceX、Boeing和其他主要的低轨卫星星座计划,从空间段星钟、轨道等方面分析了利用宽带LEO星座进行独立导航的性能[26]。2018年,空客公司研究人员对基于巨型星座的PNT服务进行了研究,指出巨型星座适合于支持PNT服务[27]。2019年,斯坦福大学报告指出正处于发展中的大型LEO星座,在用于通信服务的同时,也能用于提升导航服务的性能和弹性[28-29]。2020年,德克萨斯大学讨论了以LEO增强GPS的性能,提出了商业宽带LEO导航系统,从宽带LEO卫星更低轨道、更多数量的优势出发,构建商业LEOPNT系统[30]。 国内在低轨导航增强理论方面也进行了一些积极探索[31-32]。武汉大学对低轨导航增强GNSS发展技术进行了研究,总结了国内外低轨导航增强星座的发展现状,研究了低轨对RTK性能的增强效果[33-34]。2016年起,中国空间技术研究院西安分院以鸿雁星座为背景,对低轨导航增强的系统体制和方法进行了研究,并给出了性能分析结果[35-37]。2019年,上海同济大学对LEO增强实时精密定位服务性能进行了分析[38]。 显而易见,国外低轨导航增强理论与方法研究,以提升导航服务性能和弹性、抗干扰能力为目标;国内则集中于对低轨导航增强的原理、精度增强性能开展研究,缺乏从需求到体制的成体系化的低轨导航增强理论研究。针对该问题,本文从PNT服务新需求出发,分析了低轨导航增强的优势,在此基础上,从实现层面研究了存在的问题以及面临的挑战,并给出建议,为发展基于低轨互联网星座的低轨导航增强提供参考。1发展机遇低轨互联网星座计划的持续推进,为发展基于低轨互联网星座的全球导航增强提供了机遇。一方面,传统的导航增强手段遇到瓶颈,难以满足未来新兴用户对PNT更高性能的迫切需求,亟需新的技术途径;另一方面,低轨互联网星座与中高轨导航卫星星座优势互补,为满足新兴用户需求奠定了基础。平台共建共用,极大降低了低轨导航增强建设成本;通导融合,资源共享,为突破PNT服务瓶颈注入新的动力。1.1新兴用户群体对PNT性能需求随着万物互联时代的来临,以无人、智能、物联为特征的新一代科技革命与产业升级对实时高精度位置服务的需求日益迫切。以自动驾驶为典型场景的新兴大众用户,对挑战环境下的高安全实时精密定位具有迫切需求,如图1所示。图1新一代高精度用户导航服务性能需求Fig.1Serviceperformancerequirementsofthenextgenerationhigh-precisionusers ·高精度:要求达到车道级别,即优于10cm(95%); ·快收敛:达到秒级; ·高完好:面向自动驾驶等生命安全用户,告警门限0.3m,可靠性水平99.999999%[39]; ·高安全:需具有抗欺骗能力,提供高可信导航定位服务; ·高可用:达到99.9%,需提供更大功率的强信号,实现林荫大道、高速立交、城市环境等挑战环境下服务可达[40]。 新兴大众用户要求实现“四高一快”的目标,而传统地基监测+信息增强体制存在痛点,布站密度和信息速率不断增长,无法实现挑战环境下全球厘米级实时定位服务。一是难以全球布设监测站,进而实现全球PPP服务;二是无法全球布设连续运行参考站(ContinuouslyOperatingReferenceStations,CORS),进而实现全球PPP-RTK服务。例如,天宝为实现全球厘米级服务,建设了100多个全球高性能站[41];日本为其本土厘米级高精度服务,建设了1200多个CORS站[42]。 此外,当前的高精度应用具有局限性。GNSS基本服务是面向开阔环境设计的,信号落地功率约-160dBW,基本电文信息速率50bit/s~250bit/s。为了实现基于载波相位测量的高精度定位,在基本电文的基础上,PPP服务需要增加轨道和钟差精密改正数,从而实现整周模糊浮点解;PPP-AR需要进一步增加码偏差和载波相位偏差改正数,进而实现整周模糊固定解,加快收敛时间;而PPP-RTK还需增加播发区域电离层延迟和对流层延迟改正数,将收敛时间降低至1min以内。PPP、PPP-AR和PPP-RTK对比如图2所示,收敛时间逐渐缩短,但所需播发的信息量逐步增加。图2PPP、PPP-AR以及PPP-RTK对比Fig.2ComparisonsofPPP,PPP-ARandPPP-RTK 表1统计了Galileo、QZSS以及BDS高精度定位服务信号的信息速率以及最小落地功率,作为对比,GPSC/A码信号也一并给出。可以看到,信息速率由基本电文的50bit/s向着500bit/s、2000bit/s增加,而信号落地功率受到兼容性约束,甚至略有降低。因此,信息播发链路余量小,大众用户在动态应用场景及挑战环境下应用受到极大限制。 表1高精度定位服务的信息速率与最小接收功率 Tab.1Thedatarateandreceivedminimumpowerofhigh-precisionpositioningservice综上,为满足自动驾驶时代挑战环境下的高安【书言塔罗星座院】公众号:shuyanxz全实时精密定位需求,迫切需要设计一种新型PNT系统架构与体制,突破现有框架限制: ·降低对海外建站的依赖,基于区域地面站,将全球定位精度由米级提升至分米级、厘米级; ·降低对专门布设全球CORS站的依赖,将全球精密定位收敛时间降至1min甚至秒级; ·大幅提升精密定位服务的可用性与安全性,实现更加泛在。1.2低轨互联网星座的优势以OneWeb、Starlink等为代表的国外低轨互联网星座计划层出不穷,成百上千颗甚至上万颗卫星已进入星座部署阶段。截至目前,OneWeb进行了7次组网发射,在轨卫星数量已达到254颗。而自2018年以来,SpaceX已发射1700多颗Starlink卫星,并计划到2027年,建立含42000颗Starlink卫星的星座。2021年4月,随着中国卫星网络集团有限公司(星网公司)在雄安挂牌成立,标志着国内低轨卫星互联网星座也在加速建设。 低轨卫星互联网星座卫星数量多,轨道低(1000km左右),运动速度快,能够与中高轨导航星座形成优势互补,为PNT服务性能提升注入新动力。 (1)卫星轨道在中高轨导航卫星下方,是理想的GNSS天基全球监测平台。 低轨卫星星座是理想的全球监测平台,与地面监测站相比,监测范围更大,能够突破国土疆域的限制,实现天基全球监测,如图3所示。低轨监测的效率高,12颗低轨卫星相当于全球100多个监测站。而且,由于低轨卫星轨道高度通常在1000km左右,位于电离层上方,信号测量误差不受电离层误差和对流层误差影响,监测精度高,有利于轨道、钟差等误差的分离。图3低轨卫星星座覆盖区域示意图Fig.3ThefootprintofLEOsatelliteconstellation (2)低轨卫星几何变化快,为加速收敛和多径抑制提供了新的解决思路。 低轨卫星运动速度快,通过播发低轨导航增强信号,增加了新型快速几何变化观测数据,几何变化相比GNSSMEO卫星快40倍左右,同等时间段内划过的弧段更长,如图4所示,利于加速PPP收敛,突破传统地基监测+信息增强体制,为实施高精度定位提供了新的途径。而且,快速的几何变化能够有效白化多径误差,利于多径抑制。图4GNSS卫星与低轨卫星运动轨迹示意图Fig.4TheskyplotofGNSSsatellitesandLEOsatellites (3)卫星数量多,有利于提升高仰角下的卫星可见性,增强城市挑战性环境下的服务性能。 GNSS面向开阔环境设计,而对于城市挑战性环境下,由于高楼、高架桥、树荫等的遮挡,导致GNSS卫星可见性降低,特别是城市峡谷环境,平均仰角更高[14]。低轨互联网星座卫星数量多,能够增加高仰角下的卫星可见性。图5(a)给出了北斗三号MEO卫星7°截止角下的卫星可见性,图5(b)给出了北斗三号MEO卫星和150颗低轨卫星的可见性,可以看到,加入低轨核心星座后,能够有效提升可见星数量。随着低轨卫星数量的增加,高仰角下的可见卫星数也更多。(a)北斗三号MEO卫星(b)北斗三号MEO+150颗低轨卫星 图5?7°用户截止角下的卫星可见星Fig.5Thenumberofthevisiblesatelliteswith7degreesusermaskingangle1.3建设成本低的优势搭载实现成本低,无需独立建设庞大低轨星座系统,大大降低了建设成本,使全球低轨增强成为可能。 ·不需单独发射:节省发射费用; ·不需单独研制卫星平台:节省卫星平台研制费用; ·不需单独配置星间星地链路:全球通信星座已配星间链路,为实时精密星历生成与发播提供了实时传输网络支撑。1.4通导融合的优势低轨通信星座正在由低轨窄带通信星座向低轨宽带互联网星座发展,信号频段也由L向Ka频段延伸,为通导深度融合提供了契机。从融合层面划分,包括融信息、融频率、融信号、融载荷,如图6所示。四种方式结合,充分利用低轨通信星座的优势,为PNT服务性能突破瓶颈带来新的希望。图6通导融合4个层次Fig.6Fourlevelsforthefusionofcommunicationandnavigation (1)融信息:打破导航电文播发的瓶颈 高精度服务已成为GNSS的标配,播发精密改正电文的需求导致电文信息速率急剧增加,由50bit/s向2kbit/s发展,而信号功率未有变化。相较于测量,获取电文已成为制约PPP服务的瓶颈之一。对于PPP-RTK而言,大气改正数以及电离层改正数的播发,对信息速率的需求更高。对于低轨通信而言,以铱星为代表的窄带移动通信,信息速率为25kbit/s;而以Starlink为代表的宽带互联网星座,速率在100Mbit/s以上。 通过融信息,利用通信信道播发导航增强电文,能够打破电文与增强信息传输瓶颈,提升电文的可获取性。 (2)融频率:扩展导航频谱,提升独占频谱率 卫星导航系统发展30年,信号频率基本未发生变化,四大GNSS信号频谱现状如图7所示,集中于1.15~1.6GHz的几个频段内。而北斗频率大部分与Galileo重合,独占频率低。图7GNSS信号频谱现状Fig.7ThefrequencyallocationsofGNSS 提供了独立于传统导航频段之外的卫星移动通信频段,如L频段(1518~1525MHz)以及Ka频段(19.7~21.2GHz)。通过融频率,与通信信号共享频谱,播发低轨导航增强信号,造成事实上的导航频谱扩展,有望实现对扩展频谱导航应用的独占性。 (3)融信号:突破导航信号功率天花板 传统的卫星导航频段受兼容性限制,信号落地功率难以提高。通信信号可突破传统导航信号落地功率天花板,并高20~30dB;美国IridiumNext播发通导融合STL信号,实现了落地功率比GPS强约30dB,如表2所示。 表2典型GNSS信号和STL信号功率 Tab.2ThereceivedpoweroftypicalGNSSsignalsandSTLsignal一方面,低轨卫星轨道低,空衰小,同样体积质量功耗(Size,WeightandPowerCost,SWaP-C)条件下落地电平更高;另一方面,低轨通信信号采用多点波束体制,有利于提升功率。对于低轨互联网通信信号,Ka频段播发,信号带宽大、波束窄、接收天线增益高,在实现高功率的同时,还能有效提升信号的抗干扰能力。 (4)融载荷:无线资源管理,增强资源调度灵活性 低轨通信载荷具有无线资源管理功能,包括带宽资源管理、时隙资源管理、功率资源管理、波束资源管理以及移动性管理,如图8所示。图8通信载荷的无线资源管理Fig.8Radioresourcemanagementofthecommunicationpayload 通过融载荷,利用通信载荷的无线资源管理功能,支持通导融合信号的生成与播发,实现导信号的捷变与灵活信号生成,支持波束捷变、功率捷变、时隙捷变、频率捷变、信号捷变等能力,以提升低轨导航增强的灵活性。2发展挑战国内外低轨互联网星座的快速发展,为低轨全球导航增强带来了前所未有的发展机遇,为突破PNT瓶颈带来希望,国内外正针对系统体制、关键技术、增强效能等开展攻关。除此以外,对于发展低轨全球导航增强还存在以下几方面的挑战,包括频率资源的挑战、功率资源的挑战、秒级收敛的挑战和自动驾驶级完好性的挑战,其中自动驾驶级完好性挑战将另文介绍。2.1频率资源的挑战频谱资源与轨道资源一样,是最重要的稀缺资源,是建设系统的基础。低轨全球导航增强将传统地基监测+信息增强体制向天基监测+信号增强体制发展,需要至少播发双频导航增强信号,利用低轨卫星几何变化快的优势,加快PPP收敛。 频率分配受到国际电信联盟(InternationalTele-communicationUnion,ITU)规则的限制,为了实现全球可用,需要在全球绝大部分区域应用的频率资源。可用于卫星导航服务的频段,如图9所示。(a)L频段(b)S频段(c)C频段 图9GNSS频率资源Fig.9FrequencyallocationforGNSS GNSS的L频段是低轨导航增强频率的选择之一,能够与GNSS实现最大程度的融合。目前,B1/B2a为国际互操作频段,落地功率约束大,全球及区域系统均采用,频率协调复杂;B2b为北斗三号区域PPP服务频段,目前仅北斗、Galileo和QZSS应用,落地功率约束小,B2b是低轨导航增强信号的一个选项。B3频点(1268.52MHz)上包括B3I、B3Q以及B3A信号,只有B3I是开放信号。由于B3频带上开放信号与授权信号频谱完全重叠,不适合给低轨导航增强使用。Galileo在E6(1278.75MHz)上提供全球精密定位服务,QZSS也在L6上提供导航增强服务,而在BDS-3试验星阶段B3的信号选项中,有一个B3C信号选项,频率为1278.75MHz。在该频率实现导航增强服务,则可与之形成互操作,甚至有可能让B3C频点成为PPP的国际标准频率,是播发低轨导航增强信号的优选频率之一。 S、C频段协调相对简单,S频段主要是印度NavIC使用,目前没有任何一个系统使用C频段,协调相对容易。然而,S频段中卫星无线电定位系统(RatioDeterminationSatelliteSystem,RDSS)在全球不是主要业务,全球使用存在协调难度。C频段路径损耗大,比L大约9dB,且带外抑制要求严格(60dB以上),载波模糊度固定也更加困难。而C频段的最大难点在于对卫星等效全向辐射功率(EffectiveIsotropicRadiatedPower,EIRP)要求高,工程实现难度大。 在传统GNSS频段外,卫星移动通信频段也是一种可能。其中,低轨窄带移动通信可采用扩展L频段(1518~1525MHz),落地功率限值相对导航L频段高30dB左右,且移动通信不使用扩频体制;导航采用宽带扩频体制,可实现通信导航共用频谱,互不干扰,从而提升频谱利用率。因此,扩展L频段是另一个优选项,但也存在大量协调工作。随着通导融合的发展,将卫星通信频段用于导航成为一种可能,包括VHF/UHF频段和Ka频段。 从频率划分来看,可用于卫星移动通信的VHF/UHF频段包括235~322MHz、335.4~399.9MHz以及450~470MHz。相较于L频段,VHF/UHF频段信号穿透能力比较强,传播损耗小,同等发射功率下落地电平高。但也正因为波长长,发射天线尺寸大,如欧洲NAVISP计划在120MHz发射信号,天线尺寸2.5m,需要与卫星平台统一设计考虑。此外,UHF频段被地面通信、卫星通信使用,规避干扰,进行频率协调也是一个难题。 Ka频段(19.7~21.2GHz)可用于卫星固定与卫星移动业务,目前主要是位于高轨的高通量卫星使用,低轨互联网卫星也将在Ka频段提供宽带互联网服务。Ka频段的优点是可用带宽大(200MHz以上),采用点波束播发,接收天线增益高,等效载噪比远高于传统导航信号,抗干扰能力强;而缺点包括传播损耗大,同等传播距离比L频段高20dB以上,易受天气影响,雨衰大。Ka通信通常采用自适应编码与调制,以补偿链路条件的改变。对于通导融合的导航增强而言,雨衰问题是可以克服的。以30dBW典型EIRP为例,在不考虑雨衰时,轨道高度1000km,落地功率在-159dBW左右,与传统L导航信号相当,而且Ka接收天线增益可高于25dB,意味着有25dB以上的抗雨衰能力;另外导航信息速率低,也保证了足够的解调余量。2.2功率资源的挑战现有GNSS信号落地功率在-160dBW左右,导致在室内、遮挡场景下的可用性差,表3列出了典型遮挡场景下GNSSL频段信号的衰减[43],可以看到,遮挡导致的衰减大部分在15dB以上,这意味着落地功率目标在-145dBW以上。 表3不同材料遮挡导致的GNSSL频段信号衰减 Tab.3GNSSL-bandsignalsattanuationbymaterial通过播发高功率低轨导航增强信号,一方面实现了增强电文的快速播发,缩短了精密定位时间;另一方面,提升了挑战环境下的可用性。 但是,低轨卫星属于功率受限系统,能源短缺,要实现全球-145dBW以上的目标是一个挑战。一方面,开发功率更大的卫星平台;另一方面,进行体制创新,采用UHF/VHF等低频段,空衰小,同样EIRP下落地功率更大,UHF频段只需发射EIRP13dBW,落地功率为-140dBW左右,链路预算如表4所示,相对L频段提升近20dB。 表4UHF频段链路预算 Tab.4LinkbudgetofUHFfrequencybandUHF频段落地功率高,但是地面应用复杂,随着5G逐步应用,UHF频段存在重新分配的可能性。在WRC-15会议中,提出了19个5G候选频段,如图10所示,470~698MHz、694~790MHz或其中的部分频段可用于5G系统[44]。图10?5G的UHF频段 Fig.10?UHFfrequencybandallocatedto5Gcommunication 2.3秒级收敛时间的挑战面向自动驾驶的高精度服务,收敛到厘米级的时间要求到秒级。通常的PPP服务收敛时间在20~30min左右,PPP-RTK收敛时间理论上能够达到秒级(不含电文获取时间),如图11所示。(a)PPP(b)PPP-RTK 图11收敛时间示意图Fig.11Theconvergencetime 然而,当前的PPP-RTK体制需要布设大量CORS站,成本高,代价大。基于低轨互联网星座的全球导航增强可以采用云-端架构PPP-RTK体制,以较低成本实现PPP-RTK服务,在全球用户密集区加速收敛。 在云-端架构PPP-RTK体制中,高精度用户既是信息的使用者,也是信息的提供者。基于全球海量高精度用户及低轨互联网卫星的双向通信链路,解决了电离层延迟和对流层延迟参数获取问题,降低了传统PPP-RTK对专门布设海量CORS站的依赖。 海量用户“端”生成基于自身位置信息的大气延迟信息,将信息上传至低轨卫星并进行质量控制;空间段分布的“云”基于海量用户信息并构建大气延迟模型,同时通过低轨卫星下行链路播发模型,系统接入用户“端”数量和范围的增加,可以提升模型的精度和覆盖范围,工作流程如图12所示。图12云-端架构PPP-RTK工作流程Fig.12ThePPP-RTKmethodbasedoncloud-endarchitecture 云-端架构PPP-RTK体制与传统PPP-RTK的收敛时间性能相当,但是降低了对地面密集CORS站的依赖。以QZSS的PPP-RTK服务为例,每60km左右需要建设一个站,生成区域电离层与对流层改正数;而采用云-端架构PPP-RTK体制,不需专门建设密集CORS站,区域电离层延迟和对流层延迟参数依靠用户端提供,降低了建设成本。3发展建议基于低轨大/巨型星座的导航定位与授时,是低轨导航增强的重要发展趋势,国内外研究进展基本相当。针对基于低轨互联网星座的全球导航增强,提出如下建议。3.1系统体制发展建议低轨全球导航增强系统体制的设计,需要瞄准用户需求,全面统筹体制创新设计。系统体制决定了整个系统的建设方向,也决定了最终的服务性能。 图13给出了建议的低轨全球导航增强系统体制。以“四高一快”需求为目标,针对厘米级高精度、秒级快收敛、挑战环境下的高可用、高安全以及高完好目标,采用天基监测+信号增强体制,进行系统体制设计与优化,实现了低轨导航增强功能与PNT备份功能。图13低轨全球导航增强体制 Fig.13ThearchitectureofLEOglobalnavigationaugmentationsystem3.2信号体制发展建议信号是PNT服务的载体,是直接面向用户的接口,直接关系到PNT服务性能。基于低轨互联网星座的全球导航增强是天然的通导融合系统,为信号的通导融合创造了条件。 表5给出了建议的低轨全球导航增强信号体制,采用L+Ka、脉冲+连续的信号体制,实现了导航增强和备份功能。 表5低轨全球导航增强信号体制 Tab.5ThesignalstructureofLEObasedglobalnavigationaugmentationL频段播发双频导航增强连续信号,通过搭载导航增强载荷的方式,在扩展L和B3C频段播发,增强GNSS信号,并通过与GNSS信号配合使用,实现快收敛的高精度定位。扩展L连续导航增强信号与扩展L通信信号共频谱,实现了频率层面的融合。 扩展L和Ka频段的脉冲导航增强信号,由通信载荷生成播发,通过通导深度融合设计,实现了信号层面的融合,可独立提供备份定位授时功能,不依赖于GNSS。脉冲信号导航增强帧结构如图14(a)所示,类似于铱星STL信号。导航增强帧通过使用通信信号的部分时隙,在部分子载波上播发,播发方式与通信广播帧一致。Ka频段连续信号通过波束凝视的方式播发,实现对特定区域应急场景下的备份定位授时功能。Ka频段连续信号采用宽带扩频的方式,功率谱低于Ka通信信号,如图14(b)所示,实现了与Ka通信信号的兼容性。(a)脉冲(b)连续扩频 图14?扩展L和Ka频段的通导融合信号 Fig.14?The?possiblesignalstructureforLandKa3.3系统建设发展建议1)优先开展频率申报,同步进行频率协调。 能否获取频率授权,关系到整个系统最终能否顺利落地,同时,也会对整个导航增强技术体制、信号体制、载荷设计具有重大影响,是系统建设中需要优先进行的事项。全面申报可能的频率资源,开展频率协调,本着先易后难、先国内后国外的思路,积极开展频率协调工作,为在轨试验、全面组网创造有利条件。 2)提前开展专利申报,同步推进标准制定。 基于宽带互联网星座的全球导航增强,在原理、方法、体制等方面,国内外都处在开展理论研究阶段,大体属于同一水平,国际国内还没有低轨导航增强相关的标准规范。为保证系统工程建设的顺利进行,在系统建设之初,提前进行有关专利申报,推动有关专利、标准规范等知识产权的制订。 3)抓紧关键技术攻关,尽快开展在轨验证。 基于低轨互联网星座的导航增强涉及许多新的技术,整个低轨导航增强的体制依赖于理论分析、仿真验证以及地面试验,可以进行初步技术验证,但是,最终达到的服务性能还需要通过在轨试验进行检验。因此,抓紧对关键技术进行攻关,开展在轨试验验证,是当务之急。4结论低轨通信正由L频段的窄带移动通信,向Ku、Ka频段的低轨宽带互联网通信发展,顺应这一趋势,美欧纷纷开展面向大/巨型星座的导航增强体制研究。本文针对基于低轨互联网星座的全球导航增强体制开展研究,分析了其优势及面临的挑战,并提出了解决思路及发展建议。结论如下: 1)传统地基监测+信息增强体制难以满足自动驾驶时代,城市挑战性环境下对PNT服务“四高一快”的需求。低轨星座与中高轨导航星座优势互补,采用天基监测+信号增强体制,为突破当前PNT瓶颈提供了发展机遇。 2)频率资源和功率资源是发展低轨全球导航增强面临的首要挑战。分析表明,B2b、扩展L(1518~1525MHz)和B3C是3个优选频段,通过通导融合设计,信号落地功率有望提升15~30dB,频谱资源有望向UHF和Ka扩展。 3)高精度定位的收敛时间从PPP的30min缩短到PPP-RTK的1min以内,但传统PPP-RTK严重依赖大量CORS站,成本高,代价大。未来云-端架构PPP-RTK体制有望实现低成本PPP-RTK,以应对未来秒级收敛的高精度应用挑战。 (参考文献略) 作者简介:蒙艳松(1980-),男,博士,研究员,主要从事导航卫星载荷、星间链路、低轨导航增强方面的研究。 收稿日期:2021-07-30 修订日期:2021-08-31 中图分类号:V19 文献标志码:A 文章编号:2095-8110(2022)01-0012-13 doi:10.19306/j.cnki.2095-8110.2022.01.002编辑:Livia 审核:Jinn 来源:?导航定位与授时欢迎私信我,说说你看法 关注下方公众号,了解更多资讯,欢迎联系我! 推荐阅读1、段松贺:武大吉奥新型基础测绘解决方案2、星地融合:6G移动通信关键技术的未来3、全球地理信息产业创新链结构分析
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